Doğrudan Yolvermeli Sabit Mıknatıslı Senkron Motorda Rotor Çubuk
Arızasının İncelenmesi
*1
1,2,3
Goşenay HATIK, 2Elif İNGENÇ, 3Mehmet AKAR
Gaziosmanpaşa Üniversitesi, Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi, Mekatronik Mühendisliği Bölümü,
60250,Tokat, Türkiye
Özet
Doğrudan Yolvermeli Sabit Mıknatıslı Senkron Motorlar (DY-SMSM) rotorlarında bulunan
mıknatısların yanı sıra sincap kafes içermesi sebebiyle şebekeye direkt bağlanarak yol alabilirler. Bu
motorların durağan çalışmada rotor bakır kayıpları ve mıknatıslanma akım kayıpları olmaması
sebebiyle verimleri ve güç faktörleri yüksektir. Ayrıca daha düşük termal yüklenmeye maruz kalması
sebebiyle pompa ve fanlar gibi sabit hızlı uygulamalarda asenkron motorlara göre tercih edilir hale
gelmişlerdir. Sunulan bu çalışmada DY-SMSM' nin yol alma esnasında asenkron tork üretimini
sağlayan rotor çubuklarında meydana gelen kırıkların motor yol alma performansı üzerine olan etkisi
incelenmiştir. DY-SMSM Sonlu Elemanlar Yöntemiyle modellenmiş sağlam ve rotor çubuk kırığı
arızası durumları için hız, tork ve akım sinyalleri izlenerek elde edilen sonuçlar grafiksel olarak
sunulmuştur.
Anahtar Kelimeler: Doğrudan Yolvermeli Sabit Mıknatıslı Senkron Motor, rotor çubuk arızası
Abstract
Having squirrel cage as well as magnets in their rotors, Line Start Synchronous Motors proceed
connecting to the line directly. Due to the lack of rotor copper loses and of magnetizing current losses
in stationary operation, these motors are high efficiency and power factors. In addition, due to the
exposure to lower thermal load, they have become preferable to induction motors in fixed speed
applications like pumps and fans. In the study presented here, during the starting of Line Start
Synchronous Motors, the effects of fractures that occur in rotor bars which provide asynchronous
torque production are investigated on the performance of the motor. Line Start Synchronous Motors
that modeled by the Finite Elements Method has been operated at full load and no-load for healthy and
rotor broken bar fault and speed, torque and current signals analysis was carried out with graphical
result.
Key words: Line Start Synchronous Motor, rotor broken bar fault
1. Giriş
Fosil yakıtların maliyetlerinin ve sera gazı salınımının azaltılmasına yönelik çalışmaların artması
motor üreticilerini daha verimli ve daha yenilikçi teknolojiye sahip motorlar üretmeye mecbur
bırakmaktadır. Türkiye'de toplam elektrik tüketiminin yaklaşık %40, sanayideki elektrik
tüketiminin ise yaklaşık %70' i elektrik motorları tarafından tüketilmektedir[1]. Bu sebeple
elektrik motorlarında enerji verimliliğin artırılması oldukça önemlidir.
Doğrudan Yolvermeli Sabit Mıknatıslı Senkron Motorlar (DY-SMSM) rotor geometrisinde sabit
mıknatısları ve kısa devre çubukları birlikte bulundurmaktadır. Bu hibrit tasarım ile DY-SMSM
şebekeye direk bağlanarak asenkron motor gibi yol almakta, durağan çalışmada ise uyartım ve
*Sorumlu yazar: Adres: Gaziosmanpaşa Üniversitesi, Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi, Mekatronik
Mühendsiliği Bölümü, 60250, Tokat, TÜRKİYE. E-mail adres: [email protected]
G.HATIK vd./ ISITES2014 Karabuk - TURKEY
1382
rotor bakır kayıplarının olmaması sebebiyle asenkron motorlara göre daha yüksek verime ve güç
faktörüne sahip olmaktadır. Ayrıca geleneksel sabit mıknatıslı motorlar yol alma ve yüksek
performans için yüksek kabiliyetli eviriciye gereksinim duyarken DY-SMSM' nin basitliği ve
düşük maliyeti sabit hızlı uygulamalarda geleneksel SMSM' lere göre en önemli avantajıdır.
Direkt yol alabilen senkron motorlar için ilk çalışma 1978 yılında Binns [2] tarafından yapılmış
olup daha sonra motorun dinamik ve senkron hızda performansının tespiti, motor denklemlerinin
genelleştirilmesi ve kalıcı durum performansının SEY ile analizine yönelik çalışmalarla devam
etmiştir [3-8]. DY-SMSM' lerde stator ile rotor arasındaki hava aralığı simetrik olarak
dağılmıştır. Bu motorlarda meydana gelecek herhangi bir arıza bu simetrinin bozulmasına sebep
olur. Rotor çubuk arızası rotor faz dirençlerinin değişmesine ve rotor fazları arasında dengesizliğe
bu ise stator ile rotor arasındaki döner elektromanyetik alandaki simetrinin bozulmasına sebep
olur. Sonuç olarak bu asimetrik durum motor akımlarında ilave frekans bileşenleri, hız ve torkta
salınımlar üretir.
Sunulan bu çalışmada DY-SMSM' ye şebekeye direkt bağlanabilme ve yol alabilme kabiliyeti
kazandıran rotor kısa devre çubuklarında meydana gelen arızaların motor performansı üzerine
olan etkisi incelenmiştir. Bu amaç doğrultusunda 2.2kW mil gücüne sahip DY-SMSM Sonlu
Elemanlar Yöntemi (SEY) ile modellenmiş yüksüz ve tam yük altında hız, tork ve akım sinyalleri
sağlam ve arızalı durumlar için karşılaştırılmıştır.
2. Materyal ve Yöntem
DY-SMSM' ler mıknatısın rotor içerisindeki konumuna göre radyal mıknatıslanan rotor (Şekil
1a-1b), asimetrik dağıtılmış rotor (Şekil 1c) ve gömülü mıknatıslı rotor (Şekil 1d-1h) olarak
isimlendirilmektedir [9].
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
Şekil 1. DY-SMSM için farklı rotor geometrileri
DY-SMSM' nin SEY ile analize hazır hale gelebilmesi için temel büyüklüklerin ayarlanarak
gerçek sisteme en yakın şekilde modellenmesi gerekir [10]. Bu amaç doğrultusunda DY_SMSM'
G.HATIK vd./ ISITES2014 Karabuk - TURKEY
1383
nin bazı fiziki ve elektriksel büyüklüklerinin hesaplanması veya deneysel olarak ölçülmesi
gerekir. Sunulan çalışmada Şekil 1d rotor geometrisi referans alınarak modelleme ve analiz
çalışması yapılmıştır. Kullanılan motora ait parametreler Tablo 1' de verilmiştir.
Tablo 1. DY-SMSM' nin tasarım ölçüleri
Parametreler
Stator
Rotor
Dış çap (mm)
160
97.9
İç çap (mm)
99.9
26.8
Eksenel uzunluk (mm)
121
121
İletken çapı (mm)
0.6438
Sargı tipi
Tam kalıp
Kafes
Bağlantı şekli
Üçgen
Oluk sayısı
36
28
Oluktaki iletken sayısı
82
Mıknatıs genişliği
32.97
Mıknatıs kalınlığı
5.7
Hava aralığı genişliği (mm)
1
SEY ile makina performansı yüksek hassasiyetle kısa zamanda farklı durumlar için
hesaplanabilir. Modelleme yapılırken Şekil 2' de verilen akış diyagramındaki işlem basamakları
takip edilmiştir.
Şekil 2: Modelleme akış diyagramı
G.HATIK vd./ ISITES2014 Karabuk - TURKEY
1384
Modelleme ile elde edilen motor geometrisi ve sonuçlar kullanılarak DY-SMSM' nin SEY ile
analizi gerçekleştirilebilir. Geçici durum analizinde belirlenen zaman aralıklarıyla motorun bir
periyot boyunca manyetik alan, enerji, güç, kayıp hız ve akı değerlerine ulaşılabilmektedir [10].
Geçici durum analizi için kullanılan model Şekil 3' de görülmektedir.
Stator
Sargılar
Rotor çubuğu
Mıknatıs
Şekil 3: DY_SMSM SEY modeli
3. Benzetim Çalışması
Modelleme sonucunda elde edilen DY-SMSM' nin kalıcı durum analizi yapıldığında çıkış
gücünün 2199.01W, şebeke giriş gücünün 2310.12W, güç faktörünün 0.98, verimin %95.19,
maksimumum çıkış gücünün 6196W, endüklenen faz EMK' nın efektif değeri 280.26V ve
indüklenen torkun 13.99Nm olduğu görülmüştür.
100
1
X: 57
Y: 0.9819
0.6
0.4
0.2
0
X: 57
Y: 95.19
80
Verim (%)
Güç faktörü
0.8
60
40
20
0
20
40
60
80
100
120
Tork açısı (derece)
140
160
0
180
0
20
40
60
140
160
180
b)
a)
8000
400
6000
X: 117
Y: 6196
4000
Yüksüz EMK(V)
Hava aralığı gücü (W)
80
100
120
Tork açısı (derece)
2000
0
200
0
-200
-2000
-4000
0
20
40
60
80
100
120
Tork açısı (derece)
c)
140
160
180
-400
0
50
100
150
200
250
Elektriksel açı (derece)
300
350
d)
Şekil 4: DY-SMSM durağan çalışma eğrileri(a-Güç faktörü, b-Verim, c-Hava aralığı gücü, d-Yüksüz EMK)
G.HATIK vd./ ISITES2014 Karabuk - TURKEY
1385
Aynı gövdeye sahip IE2 sınıfı yüksek verimli asenkron motorlarda bu değerler sırasıyla yaklaşık
2200W, 2603W, 0.75, %84.5 ve 14.6Nm' dir. Görüldüğü gibi DY-SMSM yüksek verimli
asenkron motorla ürettikleri tork değerleri hemen hemen aynı olmasına karşın verimi yaklaşık
%10 daha fazladır.
DY-SMSM' de ilk kalkış anında mıknatıslar tarafından üretilen tork motor eşdeğer devre
parametrelerine bağlı olarak değişir ve frenleme etkisi yaparak rotor çubukları tarafından üretilen
asenkron torku zayıflatır.
Tmııknatıs 
3 pRs (1  s) 2 E02
2
Rs2  X qs
(1  s) 2
(1)
2ws (1  s) ( Rs2  X qs X ds (1  s) 2 ) 2
Eşitlikte verilen p kutup sayısını, R s stator sargı iç direncini, s kaymayı, E 0 senkron hızda
endüklenen gerilimi, X qs stator q ekseni reaktansını, X ds stator d ekseni reaktansını, w s
elektriksel senkron hızı temsil etmektedir.
50
Mıknatıs torku
Asenkron tork
Toplam
40
Tork (Nm)
30
20
10
0
-10
-20
0
500
1000
Hız (d/d)
Şekil 5: DY-SMSM hız tork eğrileri
1500
Eşitlikte görüldüğü gibi mıknatıslar tarafından üretilen frenleme torku endüklenen gerilimin
karesi ile doğru orantılıdır. DY-SMSM' de mıknatıs hacmin seçimi oldukça önemlidir. Çünkü
büyük seçilmesi endüklenen emk' yı artırır, çekilen hat akımını düşürür, rotorun termal yükünü
azaltır, güç faktörünü yükseltirken şebekeden çekilen giriş gücünü düşürür ve motorun
maksimum çıkış gücünü artırır. Ancak mıknatıs hacminin büyümesi ürettiği fren torkunu
artırarak toplam torku ve tork açısını azaltır. Ayrıca kalkış anında toplam torkta oluşan çökme
momenti iyi ayarlanamazsa motorun yük altında yol almasında olumsuz etki oluşturabilir.
Modellenen DY_SMSM' nin rotor çubukları ve mıknatıslar tarafından üretilen tork ile toplam
torkun hıza göre değişimi Şekil 5' de verilmiştir.
G.HATIK vd./ ISITES2014 Karabuk - TURKEY
1386
DY-SMSM' de meydana gelecek rotor çubuk kırığı arızası ile rotor eşdeğer devresindeki direnç
azalacak, çekilen hat akımı ve dolayısıyla rotor termal yükü artacak, rotor bakır kayıpları
yükselecek, güç faktörü azalırken motor giriş gücü artacaktır. Ayrıca rotor çubuk arızası motorun
üreteceği maksimum gücü azaltırken tork açısını yükseltecektir. Akım artışı motor sıcaklığını
artıracağından mıknatıslarda demagnetizasyon arızasını da tetikleyecektir. Bu sebeple bu arızanın
başlangıç safhalarında tespiti hem motor hem de birlikte çalıştığı diğer ekipmanlar için oldukça
önemlidir. Sağlam DY-SMSM' de toplam 28 adet rotor çubuğu bulunmaktadır. Rotor çubuk
arızası, 1çubuk kırık (1ÇBK), 2 çubuk kırık (2ÇBK), 3 çubuk kırık (3ÇBK), 4 çubuk kırık
(4ÇBK) ve 5 çubuk kırık (5ÇBK) olacak şekilde SEY ile oluşturulan modelde rotor çubuklarının
modelden silinmesi ile oluşturulmuştur. Analizler sağlam ve her bir arıza durumları için yüksüz
ve tam yük altında durağan ve dinamik çalışma şartlarında tekrarlanmıştır. Geçici durum analizi
0.0002 sn adım aralıklarıyla 0.5 sn boyunca gerçekleştirilmiştir.
Durağan çalışmada beklenildiği gibi hem yüksüz hem de tam yük altında sağlam ve arızalı
durumlar için akım, hız ve tork eğrilerinde arızadan kaynaklanan bir sapma görülmemiştir.
Çünkü DY-SMSM senkronlandıktan sonra rotor çubukları stator manyetik akısı tarafından
kesilmediğinden rotorda herhangi bir gerilim indüklenmemekte ve sonuç olarak rotor akımı ve
manyetik akısı da sıfır olmaktadır. Rotor çubuklarından akan akım veya akı sıfır ise rotor
çubuklarında üretilen asenkron tork ta sıfırdır.
Dinamik çalışma için yüksüz ve tam yük altında elde edilen grafikler Şekil 6' da sunulmuştur.
Eğriler incelendiğinde yüksüz çalışmada akım, hız ve torktaki salınımların arızanın artışı ile
doğru orantılı olarak arttığı, motorun senkron hıza sağlam çalışmada yaklaşık 150ms' de ulaştığı
halde 5ÇBK durumu için senkron hıza 500ms' de ulaştığı görülmektedir. Yüksüz çalışmada hızda
meydana gelen salınımlar tork eğrisini de etkilemekte elektromanyetik momentte pozitif ve
negatif yönde aşmalar oluşturmaktadır.
Sağlam
1ÇBK
2ÇBK
3ÇBK
4ÇBK
5ÇBK
8
6
4
Sağlam
1ÇBK
2ÇBK
3ÇBK
4ÇBK
5ÇBK
10
5
Akım
Akım (A)
2
0
-2
0
-4
-5
-6
-8
-10
-10
50
100
150
Zaman (ms)
a)
200
250
0
20
40
60
Zaman
b)
80
100
G.HATIK vd./ ISITES2014 Karabuk - TURKEY
1387
1600
2000
1400
1200
1500
1000
Sağlam
1ÇBK
2ÇBK
3ÇBK
4ÇBK
5ÇBK
500
0
50
100
150
200 250 300
Zaman (ms)
350
400
450
Hız (d/d)
Hız (d/d)
1000
800
Sağlam
1ÇBK
2ÇBK
3ÇBK
4ÇBK
5ÇBK
600
400
200
0
500
0
50
c)
150
20
Sağlam
1ÇBK
2ÇBK
3ÇBK
4ÇBK
5ÇBK
40
30
20
10
0
Tork
10
0
-10
-10
Sağlam
1ÇBK
2ÇBK
3ÇBK
4ÇBK
5ÇBK
-20
-20
-30
-30
-40
200
d)
50
Tork (Nm)
100
Zaman (ms)
0
100
200
300
Zaman (ms)
400
500
-40
0
50
100
Zaman
150
200
e)
f)
Şekil 6: DY-SMSM dinamik çalışma eğrileri(a-Yüksüz akım, b-Tam yükte akım, c-Yüksüz hız, d-Tam yükte hız,
e-Yüksüz tork, f-Tam yükte tork)
DY-SMSM' nin tam yükte çalışması durumunda ise; akım ve hız sinyallerinde arıza ile birlikte
küçük salınımlar olsa da etkisinin çok fazla olmadığı görülmektedir. Ancak tork eğrisinde de
açıkça görüleceği üzere rotor çubuk kırık arızasının artışı ile kalkış anında negatif yönde oluşan
torkun tepe değerinin -25Nm' den -40 Nm' ye değiştiği ve motor senkronlanana kadar salınım
torkunun devam ettiği görülmektedir.
Sonuçlar
Sunulan bu çalışmada DY-SMSM' de rotor çubuk arızasının motor performansına olan etkisi
incelenmiştir. Durağan çalışmada arızanın motor performansı üzerine olumsuz bir etkisi
olmazken dinamik çalışmada motor akım, hız ve tork eğrilerinde arıza ile birlikte salınımların
ortaya çıktığı özellikle yüksüz çalışmada daha net görülmektedir. Rotor çubuklarındaki arıza
sebebiyle hava aralığındaki simetrinin bozulması üretilen asenkron torkta salınımlar
oluşturmaktadır. Bu durum motorun ürettiği toplam torku etkilemekte motorun senkronlanmasını
geciktirmektedir.
G.HATIK vd./ ISITES2014 Karabuk - TURKEY
1388
Kaynaklar
[1] http://www.eie.gov.tr/verimlilik/document/Elektrik_Motorlari.pdf
[2] Binns KJ, Barnard WR and Jabbar MA. Hybrid Permanent–magnet Synchronous Motors.
Proc Inst Elect Eng 1978;125:203–208.
[3] Honsinger VB. Permanent Magnet Machines: Asynchronous Operation. IEEE Trans Power
App Syst 1980; 99:1503–1509.
[4] Honsinger VB. Performance of Polyphase Permanent Magnet Machines. IEEE Trans Power
App Syst 1980; 99:510–1518.
[5] Binns KJ and Jabbar MA. High field Self-starting Permanent Magnet Synchronous Motor.
Proc Inst Elect Eng 1981; 128:157–160.
[6] Shimmin DW, Wang J, Bennett N and Binns KJ. Modeling and Stability Analysis of a
Permanent-magnet Synchronous Machine Taking into Account the Effect of Cage Bars . Proc
IEEE Elect Power Applications 1995; 142: 37–144.
[7] Kurihara K, Wakui G and Kubota T. Steady-state Performance Analysis of Permanent
Magnet Synchronous Motors Including Space Harmonics. IEEE Trans Magnetics 1994;30:
1306–1315.
[8] Williamson S and Knight AM. Performance of Skewed Single Phase Line-start Permanent
Magnet Motors. IEEE Trans Industry Applications 1999; 35; 577–582.
[9] Tarımer İ. Investigation of the Effects of Rotor Pole Geometry and Permanent Magnet to Line
Start Permanent Magnet Synchronous Motor’s Efficiency. Electronics and Electrical Engineering
2009; 2:67-72.
[10] Akar M, Fenercioğlu A ve Soyaslan M. Asenkron Motorlarda Rotor Çubuğu Kırık
Arızasının Elektromanyetik Tork ile Tespiti. İATS’11, Uluslararası İleri Teknolojiler
Sempozyumu. 2011;142-146.
Download

Doğrudan Yolvermeli Sabit Mıknatıslı Senkron Motorda Rotor Çubuk